浅析无人机旋翼系统相关构型

1 旋翼概述

旋翼无人机要实现在三维空间的飞行运动，就需要在不同方向上产生矢量力的作用。这是目前无人机创新的基本点也是核心点。从矢量力的角度来看，第一种是改变力的大小。可以通过定速改变桨叶攻角或者定螺距改变桨叶转速来实现。第二种是改变力的方向，可以通过改变周期变距或者不同旋翼转差来实现。

 无人机概念

一般而言多旋翼无人机是靠旋翼转速大小和转速差来实现其飞行运动，而无人直升机一般是可变距旋翼系统和周期变距来实现的。在一些创新的无人机设计中，融合矢量力的优点，结合载重、航时、效率等来提高无人机平台本身的性能。

2 典型直升机变距式

桨叶通过桨毂上的挥舞铰、摆振铰及变距铰与旋翼轴相连，通过三个铰实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。这是全铰接式直升机的典型构造。其中变距运动是主要有益的运动，挥舞和摆振是受迫运动。飞行时，旋翼桨叶会产生挥舞运动，挥舞会带来摆振，因此需要摆振摆震铰的阻尼器来约束前后摆振。

 直升机旋翼系统

对于中小型无人机常用跷跷板式旋翼，这种构型相比铰接式简单，去掉了摆振铰，保留挥舞铰，但桨叶的挥舞运动会引起摆振方向的哥氏力及气动力，而摆振运动又会引起挥舞方向的气动力和惯性力，旋翼结构上也存在挥舞与摆振结构耦合，可以增加平衡副翼增加稳定性。例如中小型无人直升机的旋翼，只保留了变距铰，挥舞运动是通过桨毂中的柔性材料实现（可调节橡胶圈）。也仅仅保留了很小的挥舞运动。因此，挥舞与摆振运动是必然存在的，只是根据无人机量级的不同对应的旋翼动力学特性分析，提高桨毂的刚度与强度。简化机构，来确定旋翼系统的构型。

 带副翼旋翼系统

所谓旋翼动力学分析，即对桨叶的固有振型以及对应的固有频率。桨叶的模态特性可以采用有限元法或其他方法进行计算，从而得到旋翼桨叶挥舞、摆振、扭转各阶固有频率随旋翼转速的变化规律以及固有振型。再评价桨叶及旋翼系统的性能及构型是否符合设计要求。

悬停和前飞

直升机的周期变距一般是通过倾斜盘来实现的。倾斜盘外环（定环）通过扭力臂与机体固连，内环（动环）与旋翼相连，三个均列的舵机通过拉杆控制倾斜盘，桨叶角在旋转一周中所出现的周期变化。其的作用是改变旋翼作用力的方向。

倾斜盘

3 典型多旋翼式

多旋翼旋翼系统通常是螺旋桨固定在无刷电机上，螺旋桨桨距是固定的，且扭转角较大。因为螺旋桨上任意一个剖面到转轴的距离与速度与成正比，所以螺旋桨剖面相对气流与旋转平面的夹角随着剖面离到转轴的距离增大而减小。每一个剖面相对气流都保持在升阻比较大的迎角工作才能提高螺旋桨桨效。而直升机桨叶工作转速较低，桨叶各个剖面的变化较小。

多翼旋翼螺旋桨及无刷电机

 

4 变距式多旋翼

桨叶变距不是直升机特有专利，对于大载重、高海拔、高桨效的多旋翼，同样可以采用直升机的变距机构，例如变距四旋翼无人机。每个机臂上的旋翼由一个无刷电机直接驱动，可以极大的减少机械传动带来的重量、效率、可靠性等问题。操纵上采用一个舵机直驱控制总距，旋翼恒转速工作，通过变距差动。实现飞行姿态控制。

X-M20变距多旋翼无人机

5 无倾斜盘变距式

该构型通过两个控制通道（油门，偏航）实现了对升降，横滚，俯仰，偏航的控制，极大的简化了旋翼系统与操纵机构比较适合于小型和微小型无人机。

基本原理：无刷电机直接驱动螺旋桨桨毂，桨毂通过两个倾斜铰连接螺旋桨。在无刷电机旋转一周内，旋翼系统要实现周期变距功能。具体地，在控制上，控制板（集成电路）上的霍尔编码器采集无刷电机不同位置的转角，将转角数据传入控制板上的中央处理器，处理器经过相应的控制算法，产生无刷电机的驱动信号（正弦波油门信号），在无刷电机旋转至每个预定角度的时候控制其加减速。 桨叶由于惯性力作用，桨叶绕斜轴铰链摆动，产生桨叶相对桨毂超前或滞后，桨叶与气流的迎角发生了变化，电机每转至少需要两次加减速度。对应桨叶一侧攻角增加，另一侧攻角减少，总距不变。从而两片桨叶形成升力差，完成周期变距功能。驱动信号的振幅和相位就决定了无人机旋翼响应的大小和方向。

无倾斜盘变距式

6 旋翼矢量式

矢量式旋翼是一种基于直接力和力矩控制的无人机飞行控制技术，能够增强无人机的机动性能，提高飞行品质和飞行安全。通常的无刷电机与桨叶固连，桨叶无攻角变化，升力大小靠无刷电机转速大小来调节。升力方向靠舵机带动无刷电机运动。其优点是动态响应速度快，运动灵活。适用于姿态变化较大的旋翼无人机或倾转无人机倾转机构。

舵机由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套电子控制系统。舵机可分为旋转舵机和直线舵机，通过控制信号控制输出轴旋转角度或伸出指定长度。舵机选择时，输出力矩或推力，控制带宽是其关键指标参数，舵控方式既可以是单自由度的圆周运动，也可以是两个及其以上自由度的组合。

矢量四旋翼

7 结语

通过对无人机旋翼系统构型的学习，可以创新性的设计多种组合的新形无人机，以适应不同的需求。